4月29日，中國(guó)空間站天和核心艙成功發(fā)射入軌，標(biāo)志著我國(guó)空間站建造進(jìn)入全面實(shí)施階段，為后續(xù)任務(wù)展開(kāi)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題，是我國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略中第三步任務(wù)目標(biāo)。空間站是航天員的“太空之家”，也是科學(xué)研究的“太空實(shí)驗(yàn)室”，空間站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的航天綜合實(shí)力，也體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平。
極端物理?xiàng)l件下，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理化學(xué)過(guò)程、生命過(guò)程等都可能會(huì)發(fā)生變化，這意味著重大科學(xué)突破的可能。中國(guó)空間站作為國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室，在艙內(nèi)、艙外部署了眾多重大科學(xué)設(shè)施，同時(shí)利用微重力和輻射環(huán)境、航天員較長(zhǎng)在軌駐留、天地往返等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟中國(guó)空間科學(xué)研究與應(yīng)用新時(shí)代。
由中國(guó)科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé)的空間應(yīng)用系統(tǒng)，目前在空間站天和、問(wèn)天、夢(mèng)天三個(gè)艙段艙內(nèi)共安排了13個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，每個(gè)實(shí)驗(yàn)柜都是一個(gè)高功能密度的太空實(shí)驗(yàn)室，可支持一個(gè)或多個(gè)方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究?？臻g站艙外還安排了若干暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)巡天空間望遠(yuǎn)鏡與空間站共軌飛行。這些重大設(shè)施可支持在軌實(shí)施空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理和燃燒、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文與天體物理等9個(gè)學(xué)科領(lǐng)域30余個(gè)研究主題的科學(xué)研究，空間站在軌運(yùn)營(yíng)10年以上時(shí)間，預(yù)計(jì)可滾動(dòng)實(shí)施近千項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
此次隨天和核心艙發(fā)射入軌的重大科學(xué)設(shè)施主要包括無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜、高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等。
無(wú)容器是利用外界物理場(chǎng)產(chǎn)生的作用力來(lái)抵消物體的重力，從而使物體處于一個(gè)無(wú)接觸、無(wú)容器的狀態(tài)。無(wú)容器避免了坩堝等實(shí)驗(yàn)容器的器壁對(duì)材料表面的接觸和污染，能夠抑制異質(zhì)形核（依附于液態(tài)金屬中某些雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)或者某些面形核），獲得深過(guò)冷（在很大過(guò)冷度下仍維持為液態(tài)）?？臻g的無(wú)容器還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利于亞穩(wěn)態(tài)材料和新型功能材料的開(kāi)發(fā)制備，利于熔體材料參數(shù)測(cè)量。無(wú)容器技術(shù)對(duì)微重力環(huán)境下金屬和非金屬無(wú)容器深過(guò)冷凝固過(guò)程與機(jī)理研究、具有重大應(yīng)用背景的新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測(cè)量研究具有重要意義。
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜通過(guò)靜電懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，溫度可達(dá)3000℃，可進(jìn)行金屬、非金屬等無(wú)容器加工研究，揭示地面重力環(huán)境難以獲知的材料結(jié)晶、玻璃化、凝固、形核機(jī)理，獲得先進(jìn)材料的空間制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝關(guān)鍵條件，指導(dǎo)地面材料加工工藝的改進(jìn)與發(fā)展。
在軌道上運(yùn)行航天器所受到的地球引力和離心力平衡，理想情況下航天器上安裝的科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷感受不到重力，處于無(wú)重力狀態(tài)。但實(shí)際上，由于太陽(yáng)光壓、大氣阻力、重力梯度、潮汐等不平衡力導(dǎo)致準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加速度，航天器中活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)、儲(chǔ)箱中推進(jìn)劑的晃動(dòng)以及柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)將激起微振動(dòng)，瞬時(shí)變軌、調(diào)姿、航天員的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生瞬時(shí)加速度，這些因素將導(dǎo)致航天器偏離無(wú)重力狀態(tài)，形成微重力環(huán)境。可見(jiàn)，影響航天器微重力環(huán)境的因素非常復(fù)雜，對(duì)微重力水平影響也有很大差別，存在很多不可預(yù)知的因素，由此帶來(lái)的微重力變化也將在不同程度上影響空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜首創(chuàng)采用雙層懸浮隔離振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)比空間站平臺(tái)高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的高微重力水平，可開(kāi)展相對(duì)論物理與引力物理、流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用、材料制備機(jī)理等前沿科學(xué)研究。其核心工作模式有兩種：在柜內(nèi)開(kāi)展磁懸浮實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)體與懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)外體無(wú)任何物理接觸，獨(dú)立飄浮在空中，外體通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)對(duì)內(nèi)體進(jìn)行供電、通過(guò)電磁力對(duì)其進(jìn)行六自由度控制、通過(guò)WiFi進(jìn)行信息傳輸，內(nèi)體可獲得比平臺(tái)微重力環(huán)境高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的微重力水平。開(kāi)展柜外噴氣懸浮微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)，航天員將懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)從柜內(nèi)取出，在艙內(nèi)釋放，懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)觀(guān)察柜上靶標(biāo)，獲得自身位置和姿態(tài)，通過(guò)微推噴氣進(jìn)行六自由度保持控制。懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)外體通過(guò)微推噴氣，精確跟隨內(nèi)體運(yùn)動(dòng)，隔離艙內(nèi)空氣流動(dòng)等環(huán)境擾動(dòng)對(duì)內(nèi)體科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的影響，實(shí)現(xiàn)10-7g量級(jí)微重力水平。利用高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜提供的實(shí)驗(yàn)條件，將開(kāi)展國(guó)際前沿的空間冷原子干涉實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦等效原理，達(dá)到10-12精度水平。
在核心艙任務(wù)中，空間應(yīng)用系統(tǒng)還研制了應(yīng)用信息與配電、應(yīng)用流體回路、空間環(huán)境要素監(jiān)測(cè)、大型載荷掛點(diǎn)對(duì)接裝置等支持設(shè)備，建立應(yīng)用任務(wù)在軌共用支持條件，為應(yīng)用任務(wù)在軌運(yùn)營(yíng)提供支撐和保障；建設(shè)和運(yùn)行天地支持系統(tǒng)，為應(yīng)用項(xiàng)目的論證、研制、運(yùn)營(yíng)和持續(xù)產(chǎn)出高水平成果提供全壽命周期支持，推動(dòng)我國(guó)空間科學(xué)與應(yīng)用水平整體跨上新臺(tái)階。
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜
高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜
